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| − | + | ''' 光 学'''，是[[ 物理学]] 的分支，主要 是 研究[[光]]的 现象、性质与应 用 ，包括光与物质之间的相互作用、 光 学仪器的制 作 。 光 学通常研究[[ 红外线]]、[[ 紫外线]] 及[[ 可见光]]的 物理 行为。因为 光 是[[电磁波]]， 其 它 形式 的 电磁辐射，例如[[X射线]]、[[微 波]] 、[[ 电磁辐射]] 及[[ 无线电波]]等等 也具有类似 光的 特性 。 | |
| − | + | 大 多 数常见的光学现 象 都可以用[[ 古典电动力学]] 理论来说明。但是，通常这全套理论很难实际应用，必需先假定简单模型 。[[ 几何光学]] 的模型最为容易使用。它试图将光当作射线（光线）， 能 够直线移动，并且在遇到不同介质时会改变方向；它能够 解 释像直线传播、[[反射]]、[[ 折射]]等等很多 光 线现 象。[[ 物理 光 学]] 的模型比较精密，它把光当作是传播于介质 的[[ 波动]] （光波） 。 除了反射、折射以外，它还能够以波性质来解释向前传播、[[ 干涉 (物理学)|干涉]]、[[偏振]] 等等光学现象。几何光学不能 解 释这些比较复杂的 光 学现 象 。在历史上，光的射线模形首先被发展完善，然后才是光的波动模形 。 | |
| − | + | 很多现象涉及到 光 的[[波粒二象性]]。只有[[量子力 学]]能够解释这些现象<ref>[https://v.youku.com/v_show/id_XMzUwMTYzNjM4MA==.html 量子力学1.1- 光的 波粒二象性_高清]，优酷，2018-3-30</ref>。在量子力 学 里 ， 光 被 视 为 由一群 称为[[光 子]] 的[[ 粒子]] 组成 。[[ 量子 光学]] 专门研究怎样用量子力学来解释光学现象 。 | |
| − | + | 进一步将 光学 细分类。 光 的纯科 学领域， 通常被称为光学或「 光学物理 」。应用光 学 通常被称为[[ 光 学 工程]] 。光学工程中涉及到[[ 照明]] 系统的部分，被特别称为「照明工程」 。 每一个分支在应用、 技 术、焦点以及专业关联上， 都 有很大不同。在 光 学工程中，比较新 的 发现 ， 通常被归类为[[ 光 子 学]] （photonics） 。 | |
| − | + | 因为 光 学在实际中被广泛应用，光学物理和工程光学，在领域上，有很大程度的互相交叉。光学也与电子工程、物理学、天文学、医学（尤其是[[眼科学]]与[[视光学]]）等许多学科密切相关。很多关键科技都能找到光学的研究果实，包括[[镜子]]、[[透镜]]、[[望远镜]]、[[显微镜]]、[[激光]]、[[光纤]]、[[发光二极管]]、[[光伏]]等等。 | |
| − | 在[[量子光 | + | ==经典光学== |
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| + | 在[[量子光 学]]的重要性被揭示之前，光学的基本理论主要是经典电磁场理论以及它在光学领域的。经典光学可以分成两个主要分支：[[几何光学]]与[[物理光学]]。 | ||
=== 几何光学 === | === 几何光学 === | ||
| − | [[几何光学]]，又称射线光学，描述了[[光]]的[[波的传播|传播]]。在几何光学中，光被称作是 "[[射线]]"（光线）。光线会在两种不同介质的界面改变传播方向，并有可能在[[折射率]]随位置变化的介质中发生曲线弯折的现象。几何光学中的“光线”是抽象的物体，它的前进方向垂直于光波的[[波前]]。几何光学给出了光线通过光学系统的传播规律，以此可以预测其实际波前的位置。[[ | + | [[几何光学]]，又称射线光学，描述了[[光]]的[[波的传播|传播]]。在几何光学中，光被称作是 "[[射线]]"（光线）。光线会在两种不同介质的界面改变传播方向，并有可能在[[折射率]]随位置变化的介质中发生曲线弯折的现象。几何光学中的“光线”是抽象的物体，它的前进方向垂直于光波的[[波前]]。几何光学给出了光线通过光学系统的传播规律，以此可以预测其实际波前的位置。[[ 费马 原理]]是 几 何光 学 的基本定理：光传播的路径是光以最短 时间 通 过 的路径由此可以推 导 出 许 多几何光学的定律。考 虑 一 个 由[[透镜]]、[[反射镜]]及[[棱镜]] 组 合而成的光学系统，用几何光学可以 说 明其中的[[光的反射定律|反射]]、[[折射]]等 现 象，需要注意的是，几何光学简化了光学理论，因此它无法解释很多重要的光学效应，例如：[[ 绕 射]]、[[偏振]]等。 |
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| + | 通过[[近轴近似]]（也称为小角近似），可以对几何光学做进一步简化，并对应于数学描述上的线性化。在近轴近似条件下，光学组件和系统可以通过简单的矩阵来表示。[[高斯光学]]以及近轴都是以近轴近似的基础进行发展，可以确定光学系统的一阶特性，例如找出成像位置、物体位置以及[[放大倍率]]的近似值等[[高斯光束|高斯光束传播]]是近轴光学的扩展，它可以更为精确地描述相干传播（如[[激光]]光束）。即使仍然使用近轴近似，这一技术可以部分描述衍射，能够精确计算激光束随距离传播的速率以及其最小的汇聚尺寸。高斯光束传播理论因此可以沟通几何光学与物理光学。 | ||
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| + | ===物理光学=== | ||
| − | + | [[ 物理光学]]， 或称波动 光学， 建立 在[[ 惠更 斯 原理]] 之上 ，可以 建立复波前（包括[[振幅]]与[[相位]]）通过 光学系统的 模型。这 一 技术能够利用计算机数值仿真模拟或计算[[衍射]] 、[[干涉_( 物 理学)|干涉]]、[[散射]]、[[ 偏振]] 特性、[[ 像差]] 等各种复杂 光学 现象。[[ 物理 光 学]] 名称中的「物理」表示它比几何 光 学更接近物理原理，但仍然只是物理理论的近似而已 。 由于 仍然 有所 近似， 因此物理光学不能像电磁波理论模型那样能够全面 描述 光传播。对于大多数实际问题来说 ， 完整[[电磁波]]理论模型 计算 量太大，在现在 的 一般计算机硬件条件下并不十分实用，但 小 尺度 的 问题 可以 使用完整波动模型进行计算 。 | |
| − | == | + | == 近代 光学== |
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| + | 近代光学包括了二十世纪开始研究的光学科学及光学工程。光学科学部份一般会和光的[[电磁]]特性或是[[量子]]特性（[[光子]]）有关，不过也包括其他领域。[[量子光学]]是近代光学的主要子领域之一，处理光的[[量子力学]]特性。量子光学不只是理论而已，像[[雷射]]等现代光学设备其中的原理都是以量子光学为基础。像[[光电倍增管]]或[[电子倍增管]]等光侦测器可以对单一[[光子]]反应。像[[感光耦合组件]]等电子式的[[图像传感器]]，也会因为个别光子的统计特性而出现[[散粒噪声]]。若没有量子力学，也就无法理解[[发光二极管]]及[[太阳能电池]]的原理。量子光学常和量子电子学重迭特别领域的光学研究也包括光和特定材料之间的关系（如及[[超材料]]），其他的研究包括电磁波的现象，以及[[光学涡旋]]、、[[非线性光学]]、统计光学、[[亮度学]]及[[辐射度量学]]等。此外，计算机工程师对[[积体光学]]、[[机器视觉]]及[[光学计算机|光学计算]]等有兴趣，这些可能是下一代计算机中的重要组件。 | ||
| − | + | 现在， 光 学中纯物理 的部份 会称为[[ 光物理学]] ，和光学中应用科学 或 工程的部份分开，后者则称为[[光 电工程]]。光 电工程 的主要 领 域 包括有[[ 照明]] 工程、[[ 光子学]] 及[[光电 工程]]等 ，实务应用[[光 学构 件 的制作和检测]] 及[[图像 处理]] 等 。 其中部份领域 有 些重迭 ， 而各概念的差异在不同 的 地区或是不同 的 产业 也 会略有不同。因为[[ 雷射]] 技术 的 进展 ， 在数十年前就开始了一个 非线性光学的 专业研究社群 | |
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| − | + | == 光 学 的 应 用== | |
| − | + | 每天生活中有 许 多都和光 学 有 关 。生物的[[视觉系统]]就是以光 学 原理 运 作，是[[五感]]之一。[[眼 镜]]或[[ 隐 形眼 镜]] 帮 助人 们 改善 视 力，而光 学 也是 许 多消 费 性 产 品（例如[[相 机]]）的重要 机 能，[[望 远镜]]、[[ 显 微 镜]]及[[放大 镜]]都是典型的[[光 学仪 器]]。[[彩虹]]及[[海市蜃楼]]都是[[光 学现 象]]，而[[光通 讯]]是 现 在[[ 因特网]]及的基 础 。 | |
| − | 每天生活中有 | ||
===人眼=== | ===人眼=== | ||
| − | 人眼的功能是 | + | 人眼的功能是 将 光 线 聚焦在 称为[[视网膜]]，位在眼球 内 部 后 方的[[感光细胞]]。聚焦是由一系列的透光物 质来达 成。 进 入眼球的光 会 先通 过[[角膜]]，之 后 通 过 角膜 后 的液 态区 域接 着进 入[[瞳孔]]。光之 后 通 过 可以 调节 及聚焦光 线 的[[晶状体]]，接 着会经过 人眼中的主要液 态区 域[[玻璃体]]，最 后进 入[[视网膜]]。视网膜的 细 胞在眼球 内侧 的 后 面，只有一 点 是[[视神经]] 离开 眼球的路 径 ， 这个点 也是眼睛的[[盲 点 (眼)|盲 点]]。 |
| − | 眼睛中有 | + | 眼睛中有 两种 感光 细 胞，分 别 是[[ 视 杆 细 胞]]及[[ 视锥细 胞]]， 会 以不同的方式感 测 光 线[[ 视 杆 细 胞]] 对广 泛 频 率 范围内 的光 强 度 变 化很敏感， 负责 ， 视 杆 细 胞分布在的 区 域， 对于 光在空 间 中的 变 化或是 随时间 的 变 化不如 视锥细 胞那 么 敏感。不 过视 杆 细 胞在 视网 膜中分布的 区 域 较广 ，且 数 量是 视锥细 胞的二十倍，因 为 其分布位置的 广 泛， 视 杆 细 胞 负责[[ 视锥细 胞]] 对 光的整 体强 度 变 化 较 不敏感，但 视锥细 胞分 为 三 种 ， 对 三 个 不同 频 率 范围 的光很敏感，因此用 来认 知[[ 颜 色]]及。 视锥细 胞集中在正中凹，其空 间 的 分辨率较视 杆 细 胞要好。因 为视锥细 胞在光 线 暗 时 不像 视 杆 细 胞那 么灵 敏，夜 间视觉会 因 为 而受限。因 为视锥细 胞集中在正中凹，大部份的中央视觉（例如 阅读 、做精 细动 作或 检 查物品需要的 视觉 ）都是由 视锥细 胞 进 行 。 |
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| − | ===大 | + | ===大 气 光 学=== |
| − | 大 | + | 大 气独 特的光 学 特性造成很多 壮观 的光 学现 象，像天空的 蓝 色就是[[瑞利散射]]的 结 果<ref>[https://blog.csdn.net/vincent1456/article/details/60882832 用瑞利散射解释天空的颜色]，CSDN，2017-03-08</ref>， 将较 高 频 率的 颜 色（ 蓝 色）反射到 观 察者眼前。因 为蓝 光比 红 光容易被散射， 当 透 过较 厚的太 气来 直接 观测 太 阳 （如[[日出]]或[[日落]]） 时 ，太 阳会 呈 现红 色。天空中其他 颗 粒物也可以在不同角度散射不同 颜 色的光，因此在 黄 昏和黎明 时会 有多彩 发 光的天空。大 气 中[[冰晶]]或其他物 质 的散射造成了[[ 晕]]、[[晚霞 余晖]]、[[ 华 (光象)| 华]]、[[ 云 隙光]]及[[幻日]]等大 气现 象。 这 些 现 象的不同是因 为 空 气 中粒子的大小及其 几 何形 状 |
| − | [[海市蜃楼]]是光因 | + | [[海市蜃楼]]是光因 为 不同 温 度下空 气[[折射率]]的 变 化而 产 生的光 学现 象。光 线 在 传 播 于 不同 温 度下的空 气时 被偏折而在 遥远 的距 离 或天空中生成 虚 像，因此物 体会 出 现于 原先不可能出 现 的位置。其他相 关 的光 学 效 应 包括[[新地 岛 效 应]]，也就是太 阳 上 升 的比 预 期 时间 要快，而且形 状 扭曲。[[ 复杂 蜃景]]是和[[逆 温]]下的折射有 关 的光 学现 象，是像 岛屿 、 悬 崖、船舶及冰山等物 体 在地平 在线 ，其外形伸 长 且拉高，看起 来 像「童 话 故事 里 的城堡」 |
| − | [[彩虹]]是光在雨滴中的 | + | [[彩虹]]是光在雨滴中的 内 反射及色散折射所造成。若在雨滴中只有 单 一反射， 会 在天空仰角 约40 °至42°度形成彩虹， 红 色在最外 层 ，若是在雨滴中有二次反射， 会 在天空仰角 约50.5°至54°形成彩虹，紫色在最外 层 。因 为 太 阳 和彩虹的中心 会 相差180度，若太 阳 越靠近地平 线 ，彩虹 会 更明 显 。 |
==参考文献== | ==参考文献== | ||
| − | [[Category:336 光；光 | + | [[Category:336 光；光 学]] |
於 2020年2月23日 (日) 09:43 的修訂
光學，是物理學的分支，主要是研究光的現象、性質與應用，包括光與物質之間的相互作用、光學儀器的製作。光學通常研究紅外線、紫外線及可見光的物理行為。因為光是電磁波，其它形式的電磁輻射，例如X射線、微波、電磁輻射及無線電波等等也具有類似光的特性。
大多數常見的光學現象都可以用古典電動力學理論來說明。但是，通常這全套理論很難實際應用，必需先假定簡單模型。幾何光學的模型最為容易使用。它試圖將光當作射線（光線），能夠直線移動，並且在遇到不同介質時會改變方向；它能夠解釋像直線傳播、反射、折射等等很多光線現象。物理光學的模型比較精密，它把光當作是傳播於介質的波動（光波）。除了反射、折射以外，它還能夠以波性質來解釋向前傳播、干涉、偏振等等光學現象。幾何光學不能解釋這些比較複雜的光學現象。在歷史上，光的射線模形首先被發展完善，然後才是光的波動模形。
很多現象涉及到光的波粒二象性。只有量子力學能夠解釋這些現象[1]。在量子力學裡，光被視為由一群稱為光子的粒子組成。量子光學專門研究怎樣用量子力學來解釋光學現象。
進一步將光學細分類。光的純科學領域，通常被稱為光學或「光學物理」。應用光學通常被稱為光學工程。光學工程中涉及到照明系統的部分，被特別稱為「照明工程」。每一個分支在應用、技術、焦點以及專業關聯上，都有很大不同。在光學工程中，比較新的發現，通常被歸類為光子學（photonics）。
因為光學在實際中被廣泛應用，光學物理和工程光學，在領域上，有很大程度的互相交叉。光學也與電子工程、物理學、天文學、醫學（尤其是眼科學與視光學）等許多學科密切相關。很多關鍵科技都能找到光學的研究果實，包括鏡子、透鏡、望遠鏡、顯微鏡、激光、光纖、發光二極管、光伏等等。
經典光學
在量子光學的重要性被揭示之前，光學的基本理論主要是經典電磁場理論以及它在光學領域的。經典光學可以分成兩個主要分支：幾何光學與物理光學。
幾何光學
幾何光學，又稱射線光學，描述了光的傳播。在幾何光學中，光被稱作是 "射線"（光線）。光線會在兩種不同介質的界面改變傳播方向，並有可能在折射率隨位置變化的介質中發生曲線彎折的現象。幾何光學中的「光線」是抽象的物體，它的前進方向垂直於光波的波前。幾何光學給出了光線通過光學系統的傳播規律，以此可以預測其實際波前的位置。費馬原理是幾何光學的基本定理：光傳播的路徑是光以最短時間通過的路徑由此可以推導出許多幾何光學的定律。考慮一個由透鏡、反射鏡及稜鏡組合而成的光學系統，用幾何光學可以說明其中的反射、折射等現象，需要注意的是，幾何光學簡化了光學理論，因此它無法解釋很多重要的光學效應，例如：繞射、偏振等。
通過近軸近似（也稱為小角近似），可以對幾何光學做進一步簡化，並對應於數學描述上的線性化。在近軸近似條件下，光學組件和系統可以通過簡單的矩陣來表示。高斯光學以及近軸都是以近軸近似的基礎進行發展，可以確定光學系統的一階特性，例如找出成像位置、物體位置以及放大倍率的近似值等高斯光束傳播是近軸光學的擴展，它可以更為精確地描述相干傳播（如激光光束）。即使仍然使用近軸近似，這一技術可以部分描述衍射，能夠精確計算激光束隨距離傳播的速率以及其最小的匯聚尺寸。高斯光束傳播理論因此可以溝通幾何光學與物理光學。
物理光學
物理光學，或稱波動光學，建立在惠更斯原理之上，可以建立復波前（包括振幅與相位）通過光學系統的模型。這一技術能夠利用計算機數值仿真模擬或計算衍射、干涉、散射、偏振特性、像差等各種複雜光學現象。物理光學名稱中的「物理」表示它比幾何光學更接近物理原理，但仍然只是物理理論的近似而已。由於仍然有所近似，因此物理光學不能像電磁波理論模型那樣能夠全面描述光傳播。對於大多數實際問題來說，完整電磁波理論模型計算量太大，在現在的一般計算機硬件條件下並不十分實用，但小尺度的問題可以使用完整波動模型進行計算。
近代光學
近代光學包括了二十世紀開始研究的光學科學及光學工程。光學科學部份一般會和光的電磁特性或是量子特性（光子）有關，不過也包括其他領域。量子光學是近代光學的主要子領域之一，處理光的量子力學特性。量子光學不只是理論而已，像雷射等現代光學設備其中的原理都是以量子光學為基礎。像光電倍增管或電子倍增管等光偵測器可以對單一光子反應。像感光耦合組件等電子式的圖像傳感器，也會因為個別光子的統計特性而出現散粒噪聲。若沒有量子力學，也就無法理解發光二極管及太陽能電池的原理。量子光學常和量子電子學重迭特別領域的光學研究也包括光和特定材料之間的關係（如及超材料），其他的研究包括電磁波的現象，以及光學渦旋、、非線性光學、統計光學、亮度學及輻射度量學等。此外，計算機工程師對積體光學、機器視覺及光學計算等有興趣，這些可能是下一代計算機中的重要組件。
現在，光學中純物理的部份會稱為光物理學，和光學中應用科學或工程的部份分開，後者則稱為光電工程。光電工程的主要領域包括有照明工程、光子學及光電工程等，實務應用光學構件的製作和檢測及圖像處理等。其中部份領域有些重迭，而各概念的差異在不同的地區或是不同的產業也會略有不同。因為雷射技術的進展，在數十年前就開始了一個非線性光學的專業研究社群
光學的應用
每天生活中有許多都和光學有關。生物的視覺系統就是以光學原理運作，是五感之一。眼鏡或隱形眼鏡幫助人們改善視力，而光學也是許多消費性產品（例如相機）的重要機能，望遠鏡、顯微鏡及放大鏡都是典型的光學儀器。彩虹及海市蜃樓都是光學現象，而光通訊是現在因特網及的基礎。
人眼
人眼的功能是將光線聚焦在稱為視網膜，位在眼球內部後方的感光細胞。聚焦是由一系列的透光物質來達成。進入眼球的光會先通過角膜，之後通過角膜後的液態區域接着進入瞳孔。光之後通過可以調節及聚焦光線的晶狀體，接着會經過人眼中的主要液態區域玻璃體，最後進入視網膜。視網膜的細胞在眼球內側的後面，只有一點是視神經離開眼球的路徑，這個點也是眼睛的盲點。
眼睛中有兩種感光細胞，分別是視杆細胞及視錐細胞，會以不同的方式感測光線視杆細胞對廣泛頻率範圍內的光強度變化很敏感，負責，視杆細胞分布在的區域，對於光在空間中的變化或是隨時間的變化不如視錐細胞那麼敏感。不過視杆細胞在視網膜中分布的區域較廣，且數量是視錐細胞的二十倍，因為其分布位置的廣泛，視杆細胞負責視錐細胞對光的整體強度變化較不敏感，但視錐細胞分為三種，對三個不同頻率範圍的光很敏感，因此用來認知顏色及。視錐細胞集中在正中凹，其空間的分辨率較視杆細胞要好。因為視錐細胞在光線暗時不像視杆細胞那麼靈敏，夜間視覺會因為而受限。因為視錐細胞集中在正中凹，大部份的中央視覺（例如閱讀、做精細動作或檢查物品需要的視覺）都是由視錐細胞進行。
大氣光學
大氣獨特的光學特性造成很多壯觀的光學現象，像天空的藍色就是瑞利散射的結果[2]，將較高頻率的顏色（藍色）反射到觀察者眼前。因為藍光比紅光容易被散射，當透過較厚的太氣來直接觀測太陽（如日出或日落）時，太陽會呈現紅色。天空中其他顆粒物也可以在不同角度散射不同顏色的光，因此在黃昏和黎明時會有多彩發光的天空。大氣中冰晶或其他物質的散射造成了暈、晚霞餘暉、華、雲隙光及幻日等大氣現象。這些現象的不同是因為空氣中粒子的大小及其幾何形狀
海市蜃樓是光因為不同溫度下空氣折射率的變化而產生的光學現象。光線在傳播於不同溫度下的空氣時被偏折而在遙遠的距離或天空中生成虛像，因此物體會出現於原先不可能出現的位置。其他相關的光學效應包括新地島效應，也就是太陽上升的比預期時間要快，而且形狀扭曲。複雜蜃景是和逆溫下的折射有關的光學現象，是像島嶼、懸崖、船舶及冰山等物體在地平在線，其外形伸長且拉高，看起來像「童話故事裡的城堡」
彩虹是光在雨滴中的內反射及色散折射所造成。若在雨滴中只有單一反射，會在天空仰角約40°至42°度形成彩虹，紅色在最外層，若是在雨滴中有二次反射，會在天空仰角約50.5°至54°形成彩虹，紫色在最外層。因為太陽和彩虹的中心會相差180度，若太陽越靠近地平線，彩虹會更明顯。
參考文獻
- ↑ 量子力學1.1-光的波粒二象性_高清，優酷，2018-3-30
- ↑ 用瑞利散射解釋天空的顏色，CSDN，2017-03-08